JPH09181050A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所定の領域全体の発光強度分布に基づいて、
精度よく処理の制御を行なうことができるプラズマ処理
装置を提供する。 【解決手段】 プラズマ処理装置は、エッチング室１内
でプラズマエッチングを行なう処理装置２ａ、２ｂ、
３、４および８と、エッチング室１内の全体の発光強度
分布を同時に検出する発光検出器５と、発光検出器５の
出力に基づいてエッチング処理の制御、たとえば終点検
出を行なう制御部６とを含む。発光検出器５はたとえ
ば、所定の領域全体の光を集光する光学系５ａと、特定
波長を選択するフィルタ５ｂと、集光された特定波長の
光の集光面上での強度分布を検出するＣＣＤエリアセン
サ５ｃとを含む。発光検出器５に代えて、光学系と、回
折格子などの分光器と、分光された光の波長別、位置別
の強度分布を検出するセンサとを設けたものを使用して
もよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、一般的にプラズ
マを用いて所定の処理を行なうための装置および方法に
関し、特に半導体製造工程中におけるプラズマエッチン
グの状態をモニタすることができるプラズマ処理装置お
よび方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１６および図１７に、従来の半導体製
造工程中でプラズマを用いて半導体基板のエッチングを
行なう平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図お
よび平断面図を示す。図１６および図１７を参照してこ
の平行平板型プラズマエッチング装置は、エッチング室
１と、エッチング室１内に上下に対向するように設けら
れた上部電極２ａおよび下部電極２ｂと、上部電極２ａ
および下部電極２ｂに接続された高周波電源３と、エッ
チング室１を真空引きするための真空排気装置８と、エ
ッチング室１内のプラズマの発光強度をモニタするため
の、光センサからなる検出器５５と、検出器５５の出力
を受けてプラズマエッチングの終点を検出する演算を行
なう演算制御部５６と、エッチング室１内に供給される
反応ガスの流量を制御するガス流量制御器８とを含む。
下部電極２ｂの上面にはエッチングされる半導体基板
（以下「ウェハ」と呼ぶ）が載置される。

【０００３】図１６および図１７に示されるエッチング
装置は次のように動作する。エッチング室１内を真空排
気装置４により真空引きし、ガス流量制御器８を用いて
一定流量のガスをエッチング室１内に供給する。高周波
電源３を用いて、上部電極２ａおよび下部電極２ｂ間に
高周波電力を印加する。これにより、両電極２ａおよび
２ｂ間に電子、イオンおよびラジカルの混在したプラズ
マが発生する。このとき、下部電極２ｂ上にウェハ７が
載置されていると、プラズマ中のイオン、ラジカルによ
りエッチングが進行する。

【０００４】エッチング処理では、エッチングの終点を
検出することが重要である。このプラズマエッチング装
置では、プラズマの発光強度をモニタすることによりエ
ッチングの終点を検出している。以下にエッチングの終
点を検出するための方法について説明する。

【０００５】図１６および図１７に示す検出器５５は、
反応ガスまたは反応生成物特有の波長のみを通過するフ
ィルタを内蔵しており、当該フィルタを透過した発光強
度をモニタする。この検出器５５の出力に基づいて、エ
ッチング中のプラズマの発光強度をＸ−Ｔレコーダに記
録すると、図１８または図１９のようになる。図１８は
反応ガス特有の波長の発光強度の時間変化を示してお
り、図１９は反応生成物特有の波長の発光強度の時間変
化を示している。

【０００６】図１８を参照して、時刻ｔ０で高周波電力
の印加が開始されると、反応ガスから励起した分子が電
力に対応した数だけ発生し、さらにそのうちある割合で
基底状態に戻る。このとき、励起状態と基底状態にエネ
ルギ差で決まるある特有の波長の光が発生される。した
がって図１８に示されるように時刻ｔ０以降発光強度は
増大する。

【０００７】時刻ｔ１でエッチングが開始されると、励
起した分子のうちエッチングに使用されるためにエネル
ギを失うものが増える。それに対応して、発光によりエ
ネルギを失う分子の数が減るために、発光強度が低下す
る。時刻ｔ１〜ｔ２では、安定してウェハ面内全体がエ
ッチングされており、そのため一定の発光強度が観測さ
れる。

【０００８】ウェハ面内の一部でエッチングが終了する
と、エッチングによってエネルギを失う分子の数が減り
始める。この結果、発光によりエネルギを失う分子の数
が増え始める。図１８では時刻ｔ２において一部におい
てエッチングが終了したものとする。図１８に示される
ように時刻ｔ２以降発光強度は増加を始める。

【０００９】ウェハ面内全体でエッチングが終了する
と、もとの発光強度に戻る。図１８では時刻ｔ３におい
てウェハ面内全体のエッチングが終了している。その後
所定時間オーバーエッチを行ない、高周波電力の印加を
止める。図１８では時刻ｔ４で高周波電力の印加が止め
られている。

【００１０】図１８において、時刻ｔ２〜ｔ３における
発光強度の変化量を検知することにより、エッチングの
終点を検出することができる。

【００１１】図１９は、反応生成物の発光強度をモニタ
している例である。図１９を参照して、エッチング中
は、ある量の反応生成物が発生する。これは図１９にお
いて時刻ｔ１〜ｔ２に示されている。エッチングが終了
すると反応生成物の量が減り、図１９において時刻ｔ２
〜ｔ３に示されるように発光強度が減少する。この発光
強度の変化量をモニタすることにより、エッチングの終
点を検出できる。

【００１２】図２０および図２１は、従来の半導体製造
工程中においてエッチングを行なう装置の一例であるＥ
ＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマエッチング装
置の側断面図および平断面図をそれぞれ示す。図２０お
よび図２１を参照してこのＥＣＲプラズマエッチング装
置は、エッチング室１と、ＥＣＲプラズマ発生部２２
と、エッチング室１内に設けられた、その上部に基板７
が載置されるウェハステージ９と、ウェハステージ９に
高周波電力を印加するための高周波電源３と、エッチン
グ室１を真空引きするための真空排気装置４と、発光強
度をモニタするための、光センサからなる検出器５５
と、検出器５５の出力に基づいてエッチングの終点を検
出するための演算制御部５６と、エッチング室に供給さ
れるガス流量を制御するためのガス流量制御器８とを含
む。

【００１３】ＥＣＲプラズマ発生部２２は、マイクロ波
発生装置２２ｃと、導波管２２ａと、図２０に示すよう
に配置された電磁石２２ｂとを含む。

【００１４】図２０および図２１に示されるＥＣＲプラ
ズマエッチング装置は次のように動作する。エッチング
室１内を真空排気装置４により真空引きを行なう。ガス
流量制御器８により一定流量のガスをエッチング室１内
に供給する。電磁石２２ｂと導波管２２ａにより導入さ
れるマイクロ波とによりＥＣＲ条件を形成すると、電
子、イオン、およびラジカルの混在したプラズマがエッ
チング室１内に発生する。このときウェハステージ９に
高周波電源３により高周波電力を印加すると、ウェハス
テージ９上のウェハ７がプラズマ中のイオン、ラジカル
によりエッチングされる。このＥＣＲプラズマエッチン
グ装置でも、プラズマ状態のモニタ方法は、図１６〜図
１９を参照して説明した平行平板型プラズマエッチング
装置と同様である。

【００１５】このような従来のプラズマを用いた半導体
製造装置は、ウェハ上のある場所の発光強度の変化のみ
を検出している。そのため、エッチング速度のウェハ面
内均一性が悪化したときに、これを検出することができ
ず、そのためエッチング残りや寸法の変化が生じるとい
う問題点があった。

【００１６】このような問題点を解決する手段として、
特開平５−１９０５０５号公報には、図２２および図２
３に示されるようなモニタ方法が提案されている。図２
２は図１７に示される平行平板型プラズマエッチング装
置に対応するものであり、図２３は、図２１に示される
ＥＣＲプラズマエッチング装置に対応するものである。

【００１７】たとえば図２２を参照して、エッチング室
１に、所定の間隔で配置した複数のセンサ５５ａ〜５５
ｇを設け、ウェハ面内全体を任意に区分した各部分の発
光強度をそれぞれモニタし、このモニタ結果を演算して
ウェハ面内のエッチング速度の均一性をモニタするため
の演算制御部５７を設ける。図２３も同様である。この
ように多点センサを使用することにより、ウェハ面内全
体を区分した各領域ごとにエッチング速度をモニタする
ことが可能となる。

【００１８】なお図２２および図２３において、図１６
および図１７ならびに図２０および図２１と同一の部品
には同一の参照符号を与えており、それらの機能も同一
である。したがってここではそれらについての詳しい説
明は繰り返さない。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平５−１
９０５０５号公報の提案に従うと、使用される検出器の
数に応じて演算制御部５７にポートを設けることが必要
である。また、位置の分解能を上げるためには、多数の
検出器が必要であって、そのため実用的ではないという
問題点がある。

【００２０】さらに、多点センサを用いるにせよ用いな
いにせよ、発光の波長別の成分を測定することができ
ず、これを測定できるようにすればより便利である。

【００２１】それゆえに請求項１の記載の発明の目的
は、多数の検出器を用いる必要なく、所定の領域全体の
発光強度分布に基づいて処理の制御を行なうことができ
るプラズマ処理装置を提供することである。

【００２２】請求項２に記載の発明の目的は、多数の検
出器を用いる必要なく、所定の領域全体の発光強度分布
に基づいてプラズマ処理の制御を行なうことができるプ
ラズマ処理装置を提供することである。

【００２３】請求項３に記載の発明の目的は、多数の検
出器を用いる必要なく、所定の領域全体の発光強度分布
に基づいてプラズマエッチング処理の終点の検出を行な
うことができるプラズマ処理装置を提供することであ
る。

【００２４】請求項４に記載の発明の目的は、多数の検
出器を用いる必要なく、所定の領域全体の発光強度分布
に基づいて処理の制御、特にプラズマエッチングの制
御、さらに詳しくはプラズマエッチングの終点の検出を
行なうことができるプラズマ処理装置を提供することで
ある。

【００２５】請求項５から７に記載の発明の目的は、多
数の検出器を用いる必要なく、所定の領域全体の、位置
別および波長別の発光強度分布に基づいて処理の制御、
特にプラズマエッチングの制御、さらに詳しくはプラズ
マエッチングの終点の検出を行なうことができるプラズ
マ処理装置を提供することである。

【００２６】請求項８に記載の発明の目的は、多数の検
出器を用いる必要なく、所定の領域全体の発光強度分布
に基づいて処理の制御を行なうことができるプラズマ処
理方法を提供することである。

【００２７】請求項９に記載の発明の目的は、多数の検
出器を用いる必要なく、所定の領域全体の発光強度分布
に基づいてエッチング処理の制御を行なうことができる
プラズマ処理方法を提供することである。

【００２８】請求項１０に記載の発明の目的は、多数の
検出器を用いる必要なく、所定の領域全体の発光強度分
布に基づいてエッチング処理の終点の検出を行なうこと
ができるプラズマ処理方法を提供することである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のプラズ
マ処理装置は、所定の処理室内で、プラズマを用いて予
め定める処理を行なうための処理手段と、処理室内の、
所定の領域全体の発光強度分布を同時に検出するための
検出手段と、検出手段の出力に基づいて予め定める処理
の制御を行なうための制御手段とを含む。

【００３０】検出手段により所定の領域全体の発光強度
分布を同時に検出し、この出力に基づいて処理の制御を
行なうことができるため、多数の検出器を用いる必要は
ない。

【００３１】請求項２に記載の発明に係るプラズマ処理
装置は、請求項１に記載のプラズマ処理装置の構成にお
いて、予め定める処理が、半導体基板のプラズマエッチ
ング処理であることを特徴としている。したがって、半
導体基板のプラズマエッチング処理において、所定の領
域全体の発光強度分布を同時に検出するための検出手段
を設け、この検出手段の出力に基づいてプラズマエッチ
ング処理の制御を行なうことができる。

【００３２】請求項３に記載の発明のプラズマ処理装置
は、請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、さら
に、制御手段が、検出手段の出力に基づいて、プラズマ
エッチング処理の終点検出を行なうための手段を手段を
含んでいることを特徴とする。したがって、請求項３に
よれば、多数の検出器を用いなくても、所定の領域全体
の発光強度分布を同時に検出する検出手段の出力に基づ
いて、プラズマエッチング処理の終点検出を行なうこと
ができる。

【００３３】請求項４に記載の発明に係るプラズマ処理
装置は、請求項１から３のいずれかに記載の構成に加え
て、検出手段は、処理手段のプラズマ発光源に対して発
光波長を選択するためのフィルタと、所定の領域全体の
プラズマ発光を集光するためのレンズ系と、フィルタに
より波長が選択され、かつレンズ系により集光されたプ
ラズマ発光の強度の、所定面上での分布を検出するため
のエリアセンサとを含む。

【００３４】所定の領域全体のプラズマ発光は、フィル
タによりその発光波長が選択されて、所定面上に集光さ
れ、その所定面上でのプラズマ発光の強度の分布がエリ
アセンサにより検出される。したがって、所定の領域全
体のプラズマ発光の強度分布が、１つのエリアセンサに
より検出できる。

【００３５】請求項５記載の発明に係るプラズマ処理装
置は、請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ処理
装置の構成に加えて、検出手段は、処理手段のプラズマ
発光源に対して集光領域を限定するためのスリットを有
するスリット部材と、所定の領域全体のプラズマ発光を
集光するためのレンズ系と、スリットを通過し、かつレ
ンズ系により集光されるプラズマ発光を分光するための
分光手段と、レンズ系により集光され、かつ分光手段に
より分光されるプラズマ発光の強度の、所定面上での分
布を検出するためのエリアセンサとを含む。それによ
り、検出手段が、所定の領域全体のプラズマ発光の、位
置別および波長別の強度分布を同時に検出することがで
きる。

【００３６】請求項６に記載の発明に係るプラズマ処理
装置は、請求項５記載の構成に加えて、スリット部材の
有するスリットは長方形であり、分光手段は、プラズマ
発光強度の位置別および波長別の強度分布が得られるよ
うに、スリットに対して予め選択された位置に配置され
ている。

【００３７】請求項７に記載の発明に係るプラズマ処理
装置は、請求項６記載の構成に加えて、分光手段は回折
格子を含み、処理手段は、処理室内に設けられ、その上
面に半導体基板が載置される基板載置手段を含む。スリ
ット部材は、スリットの長辺が基板載置手段上に載置さ
れた半導体基板の主表面と平行になるように配置され、
回折格子は、その格子の長手方向がスリット部材のスリ
ットの長辺と平行となるように配置されている。

【００３８】請求項８に記載のプラズマ処理方法は、所
定の処理室内で、プラズマを用いて予め定める処理を行
なうためのプラズマ処理方法であって、処理室内の、所
定の領域全体のプラズマの発光強度分布を同時に検出す
るステップと、検出するステップにおいて検出された発
光強度に基づいて前記予め定める処理の制御を行なうた
めのステップとを含む。

【００３９】所定の領域全体のプラズマの発光強度分布
を同時に検出し、その検出結果に基づいてプラズマ処理
の制御を行なうので、複数個の検出手段を用いなくて
も、精度よくプラズマ処理を行なうことができる。

【００４０】請求項９に記載の発明に係るプラズマ処理
方法は、請求項８に記載の構成に加えて、検出するステ
ップは、所定の領域全体のプラズマの発光強度の、位置
別および波長別の分布を同時に検出するステップを含
む。プラズマの発光強度を位置別だけでなく波長別にも
その分布を検出することができるので、プラズマ処理の
精度をより高めることができる。

【００４１】請求項１０に記載のプラズマ処理方法は、
請求項８または９に記載の構成に加えて、予め定める処
理は、半導体基板をプラズマエッチングする処理である
ことを特徴とする。処理室内のプラズマの発光強度分布
を位置別に、さらには波長別に検出し、その検出結果に
基づいてプラズマエッチング処理を制御できるので、エ
ッチング処理の精度を高めることができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】

実施形態１ 図１に本願発明の実施形態１に係る平行平板型プラズマ
エッチング装置の側断面図を、図２に平断面図をそれぞ
れ示す。図１および図２において、図１６および図１７
に示した従来の平行平板型プラズマエッチング装置の部
品と同一の部品には同一の参照符号および名称を付し、
それらの説明については繰り返さないこととする。

【００４３】図１および図２に示される実施形態１の平
行平板型プラズマエッチング装置が図１６および図１７
に示される従来の平行平板型プラズマエッチング装置と
異なるのは、従来の単なる光センサからなる検出器５５
に代えて、集光のための簡単な光学系５ａと、発光波長
を選択するためのフィルタ５ｂと、光学系５ａにより集
光されフィルタ５ｂにより発光波長が選択されたプラズ
マ発光の強度を検出するためのエリアセンサ５ｃとを含
む点にある。なお図１および図２では、光学系５ａとエ
リアセンサ５ｃとの間にフィルタ５ｂが配置されている
が、フィルタ５ｂを光学系５ａよりも前に出しても差し
支えない。

【００４４】この実施形態１の平行平板型プラズマエッ
チング装置では、図１６および図１７に示される演算制
御部５６に代えて、同様のハードウェアからなるが、内
部で行なう演算処理の異なる演算制御部６を有している
点で異なっている。これは、エリアセンサ５ｃから得ら
れる出力が、エッチング室１内の全体のプラズマ発光の
強度分布を反映したものとなるためである。光学系５ａ
は、エッチング室１内の全体の領域のプラズマ発光を集
光してエリアセンサ５ｃ上の集光面上に集光するための
ものである。

【００４５】フィルタ５ｂは、従来の技術でも述べたよ
うに、たとえば反応ガスの波長のみを通過するフィル
タ、または反応生成物特有の波長のみを通過するフィル
タである。どのようなフィルタを使用するかによって、
既に述べたように演算制御部６によって行われる演算が
異なってくる。

【００４６】図１を参照して、発光検出器５は、平行平
板型プラズマエッチング装置の電極間距離をｈ２とする
と、ウェハが載置される下部電極２ｂから１／２ｈ２に
相当する位置よりも下部電極側に設けるのが望ましい。
すなわち、発光検出器５の光軸と下部電極２ｂとの間の
距離をｈ１とすると、ｈ１とｈ２との間に次のような関
係が成立するように発光検出器の位置を定めるのが望ま
しい。これは、ウェハ７とプラズマ間に生じるシースに
近い部分の発光情報を得るためである。

【００４７】ｈ１≦ｈ２／２ 図１を参照して、発光検出器５は、その光軸が平行平板
型プラズマエッチング装置の下部電極２Ｂの中心を通る
線付近に合されるように配置されることが望ましい。

【００４８】光学系５ａとしては、下部電極２ｂの直径
をＬ１、下部電極２ｂの中心からエッチング装置の壁面
までの距離をＬ２とすると、次の式を満たすような入射
角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。

【００４９】θ１≧２・ｔａｎ^-1（Ｌ１／Ｌ２） エッチングのメカニズムに関しては、従来技術において
説明したものと同様である。従来の技術で、図１６およ
び図１７に示される装置では、単なる光学センサからな
る１個の検出器５５を使用するか、図２２に示されるよ
うに複数個の光学センサを用いていた。しかしこの実施
形態１では、図１および図２に示されるように、簡単な
光学系５ａと、フィルタ５ｂと、エリアセンサ５ｃとの
組合せからなる発光検出器５を１つだけ用いることによ
り、エッチング室１内全体の発光の測定を実現できる。
発光検出器５としてはたとえば、発光波長選択用フィル
タを装着した通常の写真撮影用のカメラのフィルム装填
位置にＣＣＤエリアセンサを設けることにより実現でき
る。なおこの場合には図１および図２と異なり、フィル
タ５ｂが光学系５ａよりも前に出ていることになる。

【００５０】エッチング速度の面内均一性の分布は、大
体において同心円状の分布を示す。たとえばウェハ面内
の中央部においてエッチング速度が遅く、ウェハ周辺部
にいくほどエッチング速度が速いものとする。このと
き、ＣＣＤエリアセンサ５ｃから出力されるエッチング
室１内の発光強度分布は図３に示されるようになる。図
３に示されるようにこの実施形態１の発光検出器５によ
れば、ウェハの径方向と、ウェハに垂直な方向（高さ方
向）とにおける２次元的な発光強度分布を、単一の発光
検出器により得ることができる。このような２次元の光
強度分布を受けて演算制御部６がデータ処理することに
より、エッチング室１内の全体の光強度の時間変化をモ
ニタすることが可能となり、エッチング速度のウェハ面
内均一性を知ることができる。これによりウェハの終点
検出の精度を高めることができ、エッチング処理自体の
精度を高めることも可能になる。

【００５１】なお、この実施形態１では、発光検出器５
をエッチングの終点検出に用いているが、プラズマを用
いる一般的なプラズマ処理装置、たとえばプラズマＣＶ
Ｄ法（Chemical Vapor Deposition ）装置のモニタや、
プラズマそのものの解析にも用いることが可能である。
またこれは、以下に述べる他の実施例についてもあては
まる。

【００５２】実施形態２ 図４に、本願発明をＥＣＲ型プラズマエッチング装置に
適用した実施形態を図４および図５を参照して説明す
る。図４および図５において、図２０および図２１に示
される従来のＥＣＲ型プラズマエッチング装置と同一の
部品には同一の参照符号を付している。それらの名称も
機能も同一である。したがってこれはそれらについての
詳しい説明は繰り返さない。

【００５３】この実施形態２のＥＣＲ型プラズマエッチ
ング装置が、図２０および図２１に示される従来の装置
と異なるのは、単なる光センサからなる検出器５５に代
えて、集光のための簡単な光学系５ａと、発光波長を選
択するためのフィルタ５ｂと、光学系５ａにより集光さ
れ、フィルタ５ｂにより発光波長が選択された発光強度
を検出するためのＣＣＤエリアセンサ５ｃとを含む発光
検出器５を用いる点である。この発光検出器５は、図１
および図２に示される発光検出器５と同様のものであ
る。また既に説明したように、フィルタ５ｂが光学系５
ａよりも前に配置されていてもよい。

【００５４】図４は、発光検出器５をＥＣＲ型プラズマ
エッチング装置に取付けるための位置を示す、ＥＣＲ型
プラズマエッチング装置の側断面図である。図４を参照
して、この発光検出器５は、ＥＣＲ型プラズマエッチン
グ装置において、ＥＣＲポイント１０とウェハステージ
９との間の距離をｈ２とすると、ウェハステージ９の上
面から１／２・ｈ２に相当する位置よりもウェハステー
ジ９に近い位置に設けるのが望ましい。すなわち、発光
検出器５の光軸とウェハステージ９との間の距離をｈ１
とすると、次のような関係が成立する位置に発光検出器
５を設けるのが望ましい。これは、実施形態１と同様
に、ウェハ７とプラズマ間に生ずるシースに近い部分の
発光情報を得るためである。

【００５５】ｈ１≦１／２・ｈ２ 図５は、発光検出器５をＥＣＲ型プラズマエッチング装
置に取付ける位置を示し、ＥＣＲ型プラズマエッチング
装置の平断面図である。図５を参照して、発光検出器５
は、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置のウェハステージ
９の中心を通る線付近に光軸を合せるように配置される
ことが望ましい。また、光学系５ａとしては、ウェハス
テージ９の直径をＬ１、ウェハステージ９の中心からエ
ッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次の関
係を満たす入射角θ１を有するレンズを使用するのが望
ましい。

【００５６】θ１＞２・ｔａｎ^-1（Ｌ１／Ｌ２） エッチングのメカニズムに関しては、従来技術と同様で
ある。この実施形態２でも、図２３に示されるように７
つもの光センサを用いなくとも、単一の発光検出器５を
設けることにより、エッチング室１内全体に発光の測定
を実現することができる。この場合にも、発光検出器５
の出力を演算するためには、実施形態１と同様の演算を
行なう演算制御部６を設ければよい。

【００５７】この実施形態２の発光検出器５を用いて
も、実施形態１の場合と同様の効果を得ることができ
る。

【００５８】実施形態３ 図６〜図１２を参照して、本願発明の実施形態３に係る
平行平板型プラズマエッチング装置について説明する。
この実施形態３は、平行平板型プラズマエッチング装置
であるが、図６および７を図１および図２と比較すれば
わかるように、実施形態１の発光検出器５に代えて、分
光手段としての回折格子１５ｂを有した発光検出器１５
を使用し、位置別および波長別の発光強度の分布を検出
できるようにしている点が実施形態１と異なっている。
したがってこの光学検出器１５の出力を演算するものと
して、実施形態１のものとは異なる演算制御部１６が使
用される。なおこの実施形態３では分光手段として回折
格子を用いたが、これに限られるわけではなく、プリズ
ム等、入射光を波長別に分光できるものであればどのよ
うなものでもよい。

【００５９】図６および図７において、図１および図２
と同一の部品には同一の参照符号および名称を付し、そ
れらの詳細な説明については省略する。

【００６０】図８に、光学検出器１５を拡大して示す。
図８を参照して、発光検出器１５は、簡単な光学系１５
ａと、光学系１５ａにより集光されたプラズマ発光を分
光するための回折格子１５ｂと、回折格子１５ｂにより
分光されたプラズマ発光を受けて、位置別および波長別
に発光強度の分布を検出して演算制御部１６に出力する
ためのＣＣＤエリアセンサ１５ｃとを含む。

【００６１】図６に示されるように、発光検出器１５
は、この平行平板型プラズマエッチング装置の電極間距
離をｈ２とすると、ウェハ７が載置される下部電極２ｂ
の上面から１／２・ｈ２に相当する位置よりも下部電極
側に設けるのが望ましい。すなわち発光検出器１５の光
軸と下部電極２ｂの上面との距離をｈ１とすると、次の
関係が成立するように発光検出器１５の位置を選択する
のが望ましい。

【００６２】ｈ１≦１／２・ｈ２ これは、平行平板型プラズマエッチング装置において、
ウェハ７とプラズマ間に生じるシースに近い部分の発光
情報を得るためである。

【００６３】また図７に示されるように、発光検出器
は、その光軸が平行平板型プラズマエッチング装置の下
部電極２ｂの中心を通る線付近に合せられるように配置
することが望ましい。

【００６４】光学系１５ａは、図８に示されるように、
集光領域を制限するためのスリットを有するスリット部
材１５ａ１と、スリット部材１５ａ１のスリットにより
制限された光を集光するためのレンズ１５ａ２とを含
む。特に図７を参照して、光学系１５ａは、下部電極２
ｂの直径をＬ１、下部電極２ｂの中心からエッチング装
置の壁面までの距離をＬ２とすると、次の式を満足する
入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。

【００６５】θ１＞２・ｔａｎ^-1（Ｌ１／Ｌ２） ここで、スリットはたとえば縦５０〜１００μｍ（波長
分解能を要する場合は１０〜２０μｍ）、横３０ｍｍ
（受光素子であるＣＣＤの大きさを超えない範囲）の長
方形をしており、長辺は平行平板型プラズマエッチング
装置の両電極に平行に設け、電極全域の情報が取込める
ように配置する。

【００６６】図８および図９を参照して、スリット１５
ａ１で制限されレンズ１５ａ２で集光された光は、回折
格子１５ｂ上に集光される。スリット部材１５ａ１のス
リットを通過した光を回折格子１５ｂ上に集光させると
き、スリットの長辺が、回折格子１５ｂの格子と平行と
なるようにスリットと回折格子との位置を定める。そう
することにより、回折格子１５ｂで回折した光は短辺方
向に広がり、波長情報がスプリットされる。

【００６７】回折格子１５ｂへの光の入射角をφ、回折
格子１５ｂ上の溝間隔をｄとすると、波長λと回折角θ
との関係は次のようになる。

【００６８】θ＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎφ−ｎλ／ｄ） ただしｎは回折次数を表わす。通常は回折強度が最も強
くなるようにｎ＝１とする。

【００６９】たとえば格子間隔ｄが１μｍの回折格子１
５ｂを用いて、入射角３０°で波長７５０〜８００ｎｍ
の光を分光した場合、代表的な波長における回折角は次
の表１に示すようになる。

【００７０】

【表１】

【００７１】この表１は、回折格子１５ｂとＣＣＤエリ
アセンサ１５ｃとの距離を１０ｃｍとした場合の、波長
７５０ｎｍの光の結像位置を基準として、代表的な波長
の相対的な結像位置を示している。表１に示されるよう
に、ＣＣＤエリアセンサ１５ｃ上には、ウェハ上の位置
の情報と、プラズマの発光波長の情報とが同時に得られ
る。したがって、ＣＣＤエリアセンサ１５ｃの出力を演
算装置１６により演算することで、ウェハ上の任意の位
置の任意の波長の光強度を同時に評価することが可能と
なった。なお、当然のことながら表１の値は格子間隔お
よび回折格子１５ｂとＣＣＤエリアセンサ１５ｃとの距
離が変わればそれにつれて変化する。

【００７２】この実施形態３の平行平板型プラズマエッ
チング装置におけるエッチングのメカニズムは、実施形
態１および図１６および１７に示される従来の技術にお
けるものと同じである。実施形態１では、集光のための
簡単な光学系５ａと、発光波長を選択するためのフィル
タ５ｂと、集光されたエッチング室１内全体の発光の強
度分布を検出するためのＣＣＤエリアセンサ５ｃとによ
って、エッチング室１内全体の特定波長の発光強度の分
布の測定を実現しているが、この実施形態３では、以上
述べたように集光のための簡単な光学系１５ａと、発光
波長を分光するための回折格子１５ｂと、このように集
光されかつ分光された発光強度の分布を検知するための
ＣＣＤエリアセンサ１５ｃとを設けることにより、エッ
チング室１内全体の任意の波長の任意の位置の発光強度
を測定できる。

【００７３】この実施形態３から得られる発光強度分布
は、たとえば図１０に示されるようになる。図１０にお
いて、横軸は発光波長を、縦軸（奥行）は位置をそれぞ
れ示す。このような２次元の光強度分布から、演算制御
部１６によりデータ処理をすることで、エッチング室１
内全体の光強度の時間変化をモニタすることが可能とな
る。そのためエッチング速度のウェハ面内均一性を精度
よく知ることができる。

【００７４】発光波長７７７ｎｍ付近の光についての位
置と発光強度との測定結果の一例を図１１に示す。この
ように位置別に発光強度を知ることができるので、面内
のどの部分においてエッチングが進んでいるかを容易
に、かつ精度よく知ることが可能である。

【００７５】また、ＬＳＩ（大規模集積回路）の多結晶
シリコンゲートを加工する際には、ＢｒラジカルとＯラ
ジカルとの比を大きくすることで、多結晶シリコンとゲ
ート絶縁膜との選択比が上がることが知られている。Ｂ
ｒラジカルによる発光は波長７８０ｎｍ、Ｏラジカルに
よる発光は７７７ｎｍであるので、この実施形態３の装
置によりこれら波長の異なる発光を同時に観測すること
が可能になったことにより、より精度の高いエッチング
を行なうことができる。位置１０００における、発光波
長別の発光強度の分布の測定結果の一例を図１２に示し
ている。

【００７６】実施形態４ 図１３および図１４に、本願発明を図２０および図２
１、ならびに図４および図５に示されるようなＥＣＲ型
プラズマエッチング装置に適用した第２の実施形態を説
明する。図１３にはこのＥＣＲ型プラズマエッチング装
置の側断面図を、図１４には平断面図をそれぞれ示す。

【００７７】この実施形態４のＥＣＲ型プラズマエッチ
ング装置は、図４および図５に示される発光検出器５お
よび演算部６に代えて、実施形態３と同様の発光検出器
１５および演算部１６を設けた点でのみ実施形態２と異
なっている。他の点ではこの実施形態４のＥＣＲ型プラ
ズマエッチング装置は、実施形態２のＥＣＲ型プラズマ
エッチング装置と同様である。また発光検出器１５は、
実施形態３の発光検出器１５と同じものである。したが
ってここではそれについての詳しい説明は繰り返さな
い。

【００７８】図１３を参照して、発光検出器１５は、Ｅ
ＣＲ型プラズマエッチング装置において、ＥＣＲポイン
ト１０とウェハステージ９の上面との距離をｈ２とする
と、ウェハステージ９の上面から１／２・ｈ２に相当す
る高さよりもウェハステージ９に近い部分に設けるのが
望ましい。すなわち、発光検出器１５の光軸とウェハス
テージ９の上面との間の距離をｈ１とすると、次のよう
な関係が成立する位置に発光検出器を配置するのが望ま
しい。

【００７９】ｈ１≦１／２・ｈ２ これは、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置において、ウ
ェハ７とプラズマ間に生じるシーズに近い部分の発光情
報を得るようにするためである。

【００８０】また図１４を参照して、発光検出器１５
は、その光軸がＥＣＲ型プラズマエッチング装置のウェ
ハステージ９の中心を通る線付近に合うような位置に配
置することが望ましい。

【００８１】光学系１５ａとしては、ウェハステージ９
の直径をＬ１、ウェハステージ１９の中心からエッチン
グ装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次のような式
を満足する入射角θ１を有するレンズを使用するのが望
ましい。

【００８２】θ１≧２・ｔａｎ^-1（Ｌ１／Ｌ２） この実施形態４のＥＣＲ型プラズマエッチング装置で
も、実施形態３と同様にウェハ上の任意の位置の任意の
波長の光強度を同時に評価することが可能である。回折
次数ｎ＝１とし、格子間隔ｄが１μｍの回折格子１５ｂ
を用いて、入射角３０°で波長７５０〜８００ｎｍの光
を分光した場合の、代表的な波長における回折角は既に
掲げた表１に示すものと同様である。

【００８３】この実施形態４の装置でも、実施形態３と
同様にエッチング室１内全体の任意の波長の任意の位置
の発光強度を測定できる。エリアセンサ１５ｃの出力を
演算制御部１６によりデータ処理することで、エッチン
グ室１内全体の光強度の時間変化を波長別にかつ位置別
にモニタすることが可能となり、エッチング速度のウェ
ハ面内均一性を高い精度で知ることができる。また、波
長の異なる光についても強度を同時に測定できるので、
たとえばＢｒラジカルとＯラジカルとによる発光をそれ
ぞれ同時に、かつ個別に観測することができ、たとえば
ＬＳＩの多結晶シリコンゲートを加工する際に、より精
度の高いエッチングを行なうことが可能になる。

【００８４】なお、実施形態３および実施形態４の発光
検出器１５に代えて、図１５に示す発光検出器２５を用
いることもできる。発光検出器２５がたとえば図８に示
されている発光検出器１５と異なるのは、集光光学系２
５ａ２よりも回折格子１５ｂに近い側にスリット部材２
５ａ１を配置した光学系２５ａ用いている点である。他
の点ではこの発光検出器２５は図８に示される発光検出
器１５と同じである。したがって他の部分についての詳
細な説明はここでは繰り返さない。

【００８５】図１５の光学系２５ａを用いた発光検出器
２５によっても、実施形態３および４と同様の効果を得
ることができる。

【００８６】以上のように本発明によれば、簡単な光学
系と、波長選択用のフィルタまたは発光波長分光用の回
折格子と、エリアセンサとを含む終点検出器を設けたの
で、エッチング室内全体の発光強度の分布と、さらには
発光強度分布および発光波長分布を同時にモニタするこ
とができる。実施形態１〜４では平行平板型プラズマソ
ースおよびＥＣＲプラズマソースを用いたが、ヘリコン
型プラズマソースやＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）ソー
ス、ＴＣＰソースおよび表面波プラズマソース等、プラ
ズマ源の種類によらず全く同様の効果が得られることは
言うまでもない。したがって、エッチング速度の面内均
一性や選択比を精度よくモニタすることができ、たとえ
ばプラズマエッチング処理などによって、精度高く加工
された半導体基板を得られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１のプラズマ処理装置である
平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図である。

【図２】図１に示される平行平板型プラズマエッチング
装置の平断面図である。

【図３】実施形態１の装置により得られる発光強度分布
の一例を模式的に示す図である。

【図４】本願発明の実施形態２のプラズマ処理装置であ
るＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。

【図５】図４に示されるＥＣＲ型プラズマエッチング装
置の平断面図である。

【図６】本願発明の実施形態３のプラズマ処理装置であ
る平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図であ
る。

【図７】図６に示される平行平板型プラズマエッチング
装置の平断面図である。

【図８】実施形態３の発光検出器１５を拡大して示す模
式図である。

【図９】実施形態３の回折格子とスリットとの関係を模
式的に示す図である。

【図１０】実施形態３の発光検出器の出力の一例を模式
的に示す図である。

【図１１】実施形態３の装置の発光検出器によって、特
定の波長について位置別に得られる発光強度の分布を示
すグラフである。

【図１２】実施形態３の装置により得られる、特定の位
置についての、発光波長別の発光強度の分布を示すグラ
フである。

【図１３】実施形態４のプラズマ処理装置であるＥＣＲ
型プラズマエッチング装置の側断面図である。

【図１４】図１３に示されるＥＣＲ型プラズマエッチン
グ装置の平断面図である。

【図１５】回折格子を用いた発光検出器の他の例を模式
的に示す図である。

【図１６】従来の平行平板型プラズマエッチング装置の
側断面図である。

【図１７】図１６に示される装置の平断面図である。

【図１８】エッチング中の反応ガスの発光強度と時間と
の関係を模式的に示す図である。

【図１９】エッチング中の反応生成物の発光強度と時間
との関係を模式的に示す図である。

【図２０】従来のＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側
断面図である。

【図２１】図２０に示される装置の平断面図である。

【図２２】図１６および図１７に示される従来の平行平
板型プラズマエッチング装置に対する改良を示す、従来
技術の一例の装置の平断面図である。

【図２３】図２０および図２１に示される装置の改良を
示す、従来技術のＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平
断面図である。

【符号の説明】

１ エッチング室 ３ 高周波電源 ４ 真空排気装置 ５、１５、２５ 発光検出器 ６、１６ 演算制御部 ７ ウェハ ８ ガス流量制御器

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の処理室内でプラズマを用いて予め
   定める処理を行なうための処理手段と、 前記処理室内の、所定の領域全体のプラズマの発光強度
   分布を同時に検出するための検出手段と、 前記検出手段の出力に基づいて前記予め定める処理の制
   御を行なうための制御手段とを含む、プラズマ処理装
   置。
2. 【請求項２】 前記予め定める処理が、半導体基板のプ
   ラズマエッチング処理である、請求項１に記載のプラズ
   マ処理装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、前記検出手段の出力に
   基づいて、プラズマエッチング処理の終点検出を行なう
   ための手段を含む、請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 前記検出手段は、 前記処理手段のプラズマ発光源に対して発光波長を選択
   するためのフィルタと、 前記所定の領域全体のプラズマ発光を集光するためのレ
   ンズ系と、 前記フィルタにより波長が選択され、かつ前記レンズ系
   により集光されたプラズマ発光の強度の、所定面上での
   分布を検出するためのエリアセンサとを含む、請求項１
   から３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 前記検出手段は、 前記処理手段のプラズマ発光源に対して集光領域を限定
   するためのスリットを有するスリット部材と、 前記所定の領域全体のプラズマ発光を集光するためのレ
   ンズ系と、 前記スリットを通過し、かつ前記レンズ系により集光さ
   れるプラズマ発光を分光するための分光手段と、 前記レンズ系により集光され、かつ前記分光手段により
   分光されるプラズマ発光の強度の、所定面上での分布を
   検出するためのエリアセンサとを含み、 それによって、前記検出手段が、前記所定の領域全体の
   プラズマ発光の、位置別および波長別の強度分布を同時
   に検出する、請求項１から３のいずれかに記載のプラズ
   マ処理装置。
6. 【請求項６】 前記スリット部材の有するスリットは長
   方形であり、 前記分光手段は、プラズマ発光強度の位置別および波長
   別の強度分布が得られるように、前記スリットに対して
   予め選択された位置に配置されている、請求項５記載の
   プラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 前記分光手段は回折格子を含み、 前記処理手段は、前記処理室内に設けられ、その上面に
   半導体基板が載置される基板載置手段を含み、 前記スリット部材は、前記スリットの長辺が前記基板載
   置手段上に載置された半導体基板の主表面と平行になる
   ように配置され、 前記回折格子は、その格子の長手方向が前記スリット部
   材のスリットの長辺と平行となるように配置されてい
   る、請求項６記載のプラズマ処理装置。
8. 【請求項８】 所定の処理室内で、プラズマを用いて予
   め定める処理を行なうためのプラズマ処理方法であっ
   て、 前記処理室内の、所定の領域全体のプラズマの発光強度
   分布を同時に検出するステップと、 前記検出するステップにおいて検出された発光強度に基
   づいて前記予め定める処理の制御を行なうためのステッ
   プとを含む、プラズマ処理方法。
9. 【請求項９】 前記検出するステップは、前記所定の領
   域全体のプラズマの発光強度の位置別および波長別の分
   布を同時に検出するステップを含む、請求項８に記載の
   プラズマ処理方法。
10. 【請求項１０】 前記予め定める処理は、半導体基板を
    プラズマエッチングする処理である、請求項８または９
    に記載のプラズマ処理方法。